Научная статья на тему 'УПРОЧНЕНИЕ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ С ГРАДИЕНТНЫМ ПО ТОЛЩИНЕ СТЕНКИ ОТПУСКОМ'

УПРОЧНЕНИЕ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ С ГРАДИЕНТНЫМ ПО ТОЛЩИНЕ СТЕНКИ ОТПУСКОМ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
59
14
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ / ТРУБЫ / ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА / ЗАКАЛКА / ГРАДИЕНТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ОТПУСК / ТВЕРДОСТЬ / ПРОЧНОСТЬ / ПЛАСТИЧНОСТЬ / ВЯЗКОСТЬ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Сухих Аркадий Анатольевич, Дементьев Вячеслав Борисович, Махнева Татьяна Михайловна

Рассмотрена возможность повышения характеристик конструктивной прочности трубчатых деталей из конструкционных сталей за счет формирования по толщине стенки переменного комплекса механических свойств при высокотемпературной термомеханической обработке и градиентном отпуске с индукционными нагревами. Пластическая деформация при высокотемпературной термомеханической обработке осуществлялась винтовым обжатием (радиальное обжатие и кручение в двух взаимно-противоположных направлениях). Отпуск проводился при отрицательном градиенте температур от наружной поверхности трубы к внутренней. Определен уровень и характер распределения механических свойств по толщине стенки трубы. Произведена оценка характеристик конструктивной прочности трубчатых образцов при испытании на внутреннее динамическое давление.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Сухих Аркадий Анатольевич, Дементьев Вячеслав Борисович, Махнева Татьяна Михайловна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STRENGTHENING OF THICK-WALLED PIPES BY HIGH-TEMPERATURE THERMOMECHANICAL TREATMENT WITH GRADIENT TEMPERING IN WALL THICKNESS

The possibility of improving the characteristics of the structural strength of tubular parts made of structural steels due to the formation of a variable complex of mechanical properties in the wall thickness during high-temperature thermomechanical processing and gradient tempering with induction heating is considered. Plastic deformation during high-temperature thermomechanical treatment was carried out by screw compression (radial compression and torsion in two mutually opposite directions). A variable set of mechanical properties was provided by gradient tempering. Tempering was carried out at a negative temperature gradient from the outer surface of the pipe to the inner one. The temperature of the outer and inner surfaces was ~650 °C and ~200 °C, respectively. The scheme of the gradient induction tempering is as follows: a workpiece is given translational and rotational motion; the workpiece is heated successively and continuously in the inductor; simultaneously the inner surface of the workpiece is cooled with the use of an internal sprayer; then the workpiece is completely cooled with water by an external sprayer. The level and nature of the distribution of mechanical properties ( HRC , σB, σ0.2, δ, ψ, KCU , K 1C) in the thickness of the pipe wall is determined. In the wall thickness of 11 mm of the pipe blanks, the difference in HRC hardness from the inner surface to the outer is 11.5 - 12 units. The distribution of other properties is determined by the level of hardness and by the investigated dependences of the mechanical properties of the workpiece material on the temperature of the furnace tempering. The characteristics of the structural strength of tubular samples are evaluated when tested for internal dynamic pressure (the pressure of the elastic resistance limit and the fracture pressure). It is shown that compared with induction hardening after gradient tempering high-temperature thermomechanical treatment provides more improved mechanical properties of the material and characteristics of the structural strength of pipes.

Текст научной работы на тему «УПРОЧНЕНИЕ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ С ГРАДИЕНТНЫМ ПО ТОЛЩИНЕ СТЕНКИ ОТПУСКОМ»

https://doi.org/10.15350/17270529.2022.2.18

УДК 621.789

Упрочнение толстостенных труб высокотемпературной термомеханической обработкой с градиентным по толщине стенки отпуском

А. А. Сухих, В. Б. Дементьев, Т. М. Махнева

Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН, Россия, 426067, Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

Аннотация. Рассмотрена возможность повышения характеристик конструктивной прочности трубчатых деталей из конструкционных сталей за счет формирования по толщине стенки переменного комплекса механических свойств при высокотемпературной термомеханической обработке и градиентном отпуске с индукционными нагревами. Пластическая деформация при высокотемпературной термомеханической обработке осуществлялась винтовым обжатием (радиальное обжатие и кручение в двух взаимно -противоположных направлениях). Отпуск проводился при отрицательном градиенте температур от наружной поверхности трубы к внутренней. Определен уровень и характер распределения механических свойств по толщине стенки трубы. Произведена оценка характеристик конструктивной прочности трубчатых образцов при испытании на внутреннее динамическое давление.

Ключевые слова: конструкционные стали, трубы, высокотемпературная термомеханическая обработка, закалка, градиентный индукционный отпуск, твердость, прочность, пластичность, вязкость.

И Аркадий Сухих, e-mail: aasukhikh@mail.ru

Strengthening of Thick-Walled Pipes by High-Temperature Thermomechanical Treatment with Gradient Tempering in Wall Thickness

Arkadiy A. Sukhikh, Vyacheslav B. Dementyev, Tatyana M. Makhneva

Udmurt Federal Research Center UB RAS (34, T. Baramzina St., Izhevsk, 426067, Russian Federation)

Summary. The possibility of improving the characteristics of the structural strength of tubular parts made of structural steels due to the formation of a variable complex of mechanical properties in the wall thickness during high-temperature thermomechanical processing and gradient tempering with induction heating is considered. Plastic deformation during high-temperature thermomechanical treatment was carried out by screw compression (radial compression and torsion in two mutually opposite directions). A variable set of mechanical properties was provided by gradient tempering. Tempering was carried out at a negative temperature gradient from the outer surface of the pipe to the inner one. The temperature of the outer and inner surfaces was ~650 °C and ~200 °C, respectively. The scheme of the gradient induction tempering is as follows: a workpiece is given translational and rotational motion; the workpiece is heated successively and continuously in the inductor; simultaneously the inner surface of the workpiece is cooled with the use of an internal sprayer; then the workpiece is completely cooled with water by an external sprayer. The level and nature of the distribution of mechanical properties (HRC, oB, a0.2, §, V, KCU, K1C) in the thickness of the pipe wall is determined. In the wall thickness of 11 mm of the pipe blanks, the difference in HRC hardness from the inner surface to the outer is 11.5 - 12 units. The distribution of other properties is determined by the level of hardness and by the investigated dependences of the mechanical properties of the workpiece material on the temperature of the furnace tempering. The characteristics of the structural strength of tubular samples are evaluated when tested for internal dynamic pressure (the pressure of the elastic resistance limit and the fracture pressure). It is shown that compared with induction hardening after gradient tempering high-temperature thermomechanical treatment provides more improved mechanical properties of the material and characteristics of the structural strength of pipes.

Keywords: structural steels, pipes, high-temperature thermomechanical treatment, hardening, gradient induction tempering, hardness, strength, plasticity, toughness.

El Arkadiy Sukhikh, e-mail: aasukhikh@mail.ru

ВВЕДЕНИЕ

В машинах и узлах современной техники используется большое количество цилиндрических трубчатых деталей, работающих в условиях повышенного трения внутренней поверхности, большого внутреннего давления (например, детали буровой техники, сосуды высокого давления). Для изготовления таких деталей обычно используют углеродистые низко- и среднелегированные стали, которые подвергают различным видам упрочняющей обработке [1, 2], а также применяют биметаллические конструкции с внутренним слоем из специальных износостойких сталей и сплавов [3, 4]. В качестве упрочняющей обработки используют обычную закалку, закалку ТВЧ (токами высокой частоты), термомеханическую обработку и др., что позволяет получать высокую твердость и прочность деталей. Однако последующий отпуск, обеспечивающий необходимое сопротивление хрупкому разрушению, приводит к снижению характеристик твердости и прочности, что отрицательно сказывается на износостойкости внутренней поверхности деталей и поперечной прочности их тела. Применение же биметаллических конструкций усложняет технологию изготовления деталей и не всегда обеспечивает требования конструкции.

В работах [5, 6] предложена технология термической обработки на переменный по толщине стенки трубы комплекс механических свойств. Термообработка включает сквозную закалку и градиентный по толщине стенки отпуск, что обеспечивает высокую твердость и прочность слоев материала, близлежащих к внутренней поверхности, а также достаточную пластичность и вязкость тела трубы. Однако известно, что при высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО) по сравнению с закалкой достигается более высокий комплекс механических свойств материала [1, 7]. В связи с этим настоящая работа посвящена исследованию эффективности упрочнения труб высокотемпературной термомеханической обработкой с градиентным отпуском из ряда конструкционных сталей.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на сталях 38ХН3МФА, 30ХН2МФА и 55ХН3МФСА, химический состав которых приведен в табл. 1. Трубные заготовки из сталей 38ХН3МФА и 30ХН2МФА с наружным диаметром (ёои) 37 мм и внутренним диаметром (ёщп) 15 мм подвергали закалке ТВЧ, заготовки с ёои = 39 мм и ёщп = 16 мм - высокотемпературной термомеханической обработке (ВТМО) с индукционным нагревом.

Таблица 1. Химический состав сталей Table 1. Chemical composition of steels

Марка стали Steel grade Соде ржание элементов / Element content, %

С Mn Si Cr Ni Мо V S P

38ХН3МФА 0.38 0.24 0.24 0.97 3.19 0.54 0.12 0.006 0.009

30ХН2МФА 0.31 0.51 0.31 0.83 2.12 0.20 0.13 0.010 0.014

55ХН3МФСА 0.56 0.86 0.59 0.88 2.69 0.70 0.22 0.005 0.008

Закалку ТВЧ и ВТМО проводили на лабораторной установке для термомеханической обработки винтовым обжатием [8]. Для индукционного нагрева использовали нагреватель Л3-67 = 60 кВт, / = 64^70 кГц). Закалку ТВЧ и ВТМО осуществляли по режимам: скорость вращения заготовки ю = 2.3 с-1; скорость продольного перемещения заготовки V = 0.004 м/с; температура нагрева 970 - 980 °С (сталь 38ХН3МФА) и 940 - 950 °С (сталь 30ХН2МФА); охлаждение - спрейерное, водой. Пластическая деформация при ВТМО включала деформацию радиальным обжатием и деформацию кручением в двух взаимно-противоположных направлениях при их, согласно [9], соотношении 2:1. Степень деформации радиальным обжатием составляла 20 %; степень деформации кручением в прямом направлении - 14 %, в обратном направлении - 7 %.

После закалки ТВЧ и ВТМО одну партию заготовок из стали 38ХН3МФА подвергали отпуску в печи, другую партию - индукционному отпуску. Отпуск в печи проводили в интервале температурах 200 - 600 °С в течение 2 часов. Индукционный отпуск осуществляли по схеме, представленной на рис. 1. Трубной заготовке 1 задавали вращение со скоростью т = 2.3 с-1 и перемещение в продольном направлении со скоростью v = 0.004 м/с; непрерывно-последовательно заготовка нагревается в индукторе 2, а затем охлаждается водой в наружном спрейере 3. При этом одну партию заготовок подвергали отпуску при сквозном прогреве в индукторе до температуры ~ 600 °С, а другую партию - при градиентном нагреве по толщине стенки (с температурой наружной поверхности t0ut ~ 650 °С и температурой внутренней поверхности tina ~ 200 °С). Такой перепад температуры по толщине стенки в процессе отпуска обеспечивали непрерывным подстуживанием водой внутренней поверхности заготовок с помощью внутреннего спрейера 4 (рис. 1).

Рис. 1. Схема проведения индукционного отпуска трубных заготовок с градиентным нагревом: 1 - трубная заготовка, 2 - индуктор, 3 - наружный спрейер, 4 - внутренний спрейер

Fig. 1. Scheme of induction tempering of tubular blanks with gradient heating: 1 - pipe billet, 2 - inductor, 3 - external sprayer, 4 - internal sprayer

Трубные заготовки из стали 30ХН2МФА после закалки ТВЧ и ВТМО подвергали печному отпуску в интервале температур 200 - 500 °С в течение 1.5 часа. Из заготовок с отпуском 500 °С изготавливали модельные трубчатые образцы с толстостенностью рабочей части 2.1 (dout / dinn, dinn = 15 мм) для испытаний на внутреннее давление.

На стали 55ХН3МФСА термическую обработку проводили на заготовках под модельные трубчатые образцы с толстостенностью рабочей части 1.5 (dout / dinn, dinn = 9.6 мм) для испытаний на внутреннее давление и на заготовках размером 12x12x55 мм под образцы для стандартных механических испытаний. Термообработка заключалась в печной закалке с температуры 860 °С при выдержке 1 час в масло и в последующем отпуске в печи при температурах 200 °С и 500 °С в течение 2 часов.

Определяли твердость HRC, механические свойства при растяжении (ob, о0.2, 5, у),

ГТГ/~<ТТ+ 20°С ТГГ17-7-50°с \ / г/* +20°с Т,—50°сч

ударную вязкость (KCU , KCU ) и вязкость разрушения (К + , К1С ) при

статическом изгибе образцов с наведенной усталостной трещиной. Механические свойства при растяжении оценивали на пятикратных образцах диаметром 5 мм по ГОСТ 1497-84, ударную вязкость - на образцах типа I по ГОСТ 9454-78, вязкость разрушения - на образцах толщиной 10 мм по ГОСТ 25.506-85.

Испытания модельных трубчатых образцов на внутреннее динамическое давление проводили на специальной установке с записью при помощи датчика давления и тензометрирования диаграмм: "давление-время" и "давление-тангенциальная деформация". По диаграмме "давление-время" определяли давление разрушения (PB), а по диаграмме "давление-тангенциальная деформация" - давление предела упругого сопротивления (Peiast).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты исследований показали, что в закаленном состоянии (как после закалки ТВЧ, так и ВТМО) твердость стали 38ХН3МФА по поперечному сечению заготовок постоянна и достигает значения 52.5 - 53.5 ИКС после закалки ТВЧ и 53 - 54 ИКС после ВТМО (рис. 2). После индукционного отпуска со сквозным прогревом заготовок до температуры ~ 600 °С характер распределения твердости по толщине стенки практически не изменяется, уменьшается лишь ее уровень до значения 42.5 - 44.0 ИКС для закалки ТВЧ и 43.0 - 44.5 ИКС для ВТМО. На заготовках, подвергнутых градиентному индукционному отпуску с температурой наружной поверхности ~ 650 °С и температурой внутренней поверхности ~ 200 °С, твердость по толщине стенки непрерывно изменяется, причем ее изменение носит плавный характер. Твердость уменьшается от значения 51 - 52 ИКС на внутренней поверхности до значения 39 - 40 ИКС на наружной поверхности для закалки ТВЧ и от 51.5 - 52.5 ИКС до 40 - 41 ИКС для ВТМО (рис. 2).

HRC

0 2 4 6 8 Л, пни

Рис. 2. Распределение твердости по толщине стенки трубных заготовок стали 38ХН3МФА (h - расстояние от внутренней повехности): 1 - закалка ТВЧ, 2 - ВТМО, 3 - закалка ТВЧ + индукционный отпуск, 4 - ВТМО + индукционный отпуск, 5 - закалка ТВЧ + градиентный индукционный отпуск, 6 - ВТМО + градиентный индукционный отпуск

Fig. 2. Distribution of hardness over the wall thickness of pipe blanks of steel 38HN3MFA (h is the distance from the inner surface): 1 - HDTV hardening, 2 - HTMT, 3 - HDTV hardening + induction tempering, 4 - HTMT + induction tempering, 5 - HDTV hardening + gradient induction tempering, 6 - HTMT + gradient induction tempering

На рис. 3 представлены механические свойства стали 38ХН3МФА после закалки ТВЧ и ВТМО в зависимости от температуры печного отпуска. С повышением температуры отпуска от 200 °С до 600 °С твердость HRC уменьшается от 52.0 до 36.5 единиц как для закалки ТВЧ, так и для ВТМО (рис. 3, с). Полученный интервал изменения твердости соответствует диапазону ее изменения по толщине стенки трубных заготовок после градиентного индукционного отпуска (рис. 2). Во всем исследованном интервале температур отпуска механические свойства после ВТМО выше, чем после закалки ТВЧ. Характеристики прочности ов, и о0.2 увеличиваются соответственно на 3 - 4 % (40 - 50 МПа) и 2 - 6 % (30 - 80 МПа), характеристики пластичности 5 и у - на 4 - 9 % и 2 - 4 % (рис. 3, a, b). Ударная вязкость KCU~50 С возрастает на 3 - 22 % (рис. 3, с). С повышением температуры отпуска (как после закалки ТВЧ, так ВТМО) величина ударной вязкости вначале

уменьшается, а затем увеличивается, что связано с отпускной хрупкостью стали в интервале температур 300 - 450 °С [10]. Однако следует отметить, что минимум ударной вязкости находится на достаточном уровне (КСи~50 °С > 0.5 МДж/м2). Наиболее существенное повышение ударной вязкости за счет ВТМО наблюдается при температурах отпуска выше 450 °С и ниже 300 °С. После отпуска при температурах 200 °С и 600 °С КСи~50°С

увеличивается соответственно на 22 % и 14 %. Вязкость разрушения КС после отпуска 200 °С при ВТМО на 14 % выше (рис. 3, а).

450 550 °С

Рис. 3. Зависимости характеристик прочности и вязкости разрушения (а), пластисности (b), твердости и ударной вязкости (с) стали 38ХН3МФА от температуры отпуска: -, о, д - закалка ТВЧ;----, •, ▲ - ВТМО

Fig. 3. Dependences of the characteristics of strength and fracture toughness (a), plasticity (b), hardness and impact strength (c) of 38HN3MFA steel on tempering temperature: -, о, д - HDTV hardening;----, •, a - HTMO

Зависимости механических свойств стали 30ХН2МФА от температуры печного отпуска при закалке ТВЧ и ВТМО (рис. 4) имеют схожий со сталью 38ХН3МФА характер (рис. 3). Наблюдается более значительное повышение механических свойств при ВТМО.

Характеристики прочности ов и 00.2 увеличиваются соответственно на 4 - 6 % (50 - 100 МПа) и 4 - 8 % (50 - 100 МПа), характеристики пластичности 5 и у - на 4 - 8 % (рис. 4, a, b). Ударная вязкость KCU+20 С возрастает на 22 - 33 %. Вязкость разрушения К°С после отпуска 200 °С повышается на 22 % (рис. 4, с).

Рис. 4. Зависимости характеристик прочности (а), пластичности (b) и вязкости (с) стали 30ХН2МФА от температуры отпуска:

-, о, д - закалка ТВЧ;----, а - ВТМО

Fig. 6. Dependences of the characteristics of strength (a), ductility (b) and toughness (c) of steel 30HN2MFA on the

tempering temperature: -, о, д - HDTV hardening;----, •, a - HTMO

Повышение механических свойств исследуемых сталей при ВТМО обусловлено [3]:

- измельчением аустенитного зерна, увеличением плотности дислокаций, формированием полигональной субструктуры за счет пластической деформации и наследованием этих структурных изменений при мартенситном у^-а-превращении в процессе охлаждения;

- значительно меньшими размерами пакетов и кристаллов мартенсита;

- выделением при отпуске более дисперсных карбидов и более равномерным их распределением по структуре;

- снижением удельной концентрации вредных примесей на межзеренных границах в связи увеличением площади их поверхности и появлением дополнительных субзеренных границ.

Средний размер аустенитного зерна в структуре стали 30ХН2МФА после ВТМО составляет 7 - 10 мкм, после закалки 15 - 20 мкм. Средние параметры мартенситного пакета после ВТМО: длина контура в аустенитном зерне 1.06 мкм, толщина контура 0.8 мкм, число реек в контуре 6.15, плотность реек в зерне 54.7. Средние параметры мартенситного пакета после закалки: длина контура в аустенитном зерне 10.8 мкм, толщина контура 0.77 мкм, число реек в контуре 3.85, плотность реек в зерне 55.8. Плотность дислокации (отпуск 500 °С) увеличивается в 1.2 раза [3].

По уровню и характеру распределения твердости по толщине стенки трубных заготовок стали 38ХН3МФА оценивали ориентировочный уровень и характер распределения других механических свойств. Для этого использовали метод экстраполяции и исследованные зависимости механических свойств стали 38ХН3МФА от температуры отпуска. Полученные результаты приведены на рис. 5.

Рис. 5. Распределение характеристик прочности (а), пластичности и ударной вязкости (b) стали 38ХН3МФА по толщине стенки трубных заготовок:

-, о, д - закалка ТВЧ;----, •, а - ВТМО;

о, д, а - экстраполированные экспериментальные точки

Fig. 3. Distribution of strength characteristics (a), ductility and impact strength (b) of steel 38HN3MFA over the wall thickness of pipe blanks:

-, о, д - HDTV hardening,----, •. a - HTMO;

о, д, •, a - extrapolated experimental points

Из них следует, что трубные заготовки, упрочненные как закалкой ТВЧ, так и ВТМО, имеют после градиентного отпуска одинаковый характер распределения механических свойств по толщине стенки. При удалении от внутренней к наружной поверхности характеристики прочности плавно уменьшаются (рис. 5, а), относительное сужение увеличивается с небольшим снижением на расстоянии ~ 7 - 9 мм, ударная вязкость вначале уменьшается, достигая на расстоянии ~ 8 мм минимального значения, а затем возрастает (рис. 5, Ь). При этом достигаемый по толщине стенки комплекс механических свойств после ВТМО выше: ов и о0.2 на 2 - 7 %, у на 2 - 4 %, КСи 50 С на 3 - 27 %. Характеристики механических свойств у внутренней поверхности находятся на уровне: ов ~ 2000 МПа, о0 2 ~ 1650 МПа, у ~ 50 %, КСи~50°С~ 1 МДж/м2, а у наружной поверхности составляют:

ов ~ 1320 МПа, 00.2 ~ 1240 МПа, у ~ 60 %, КСи 50°С ~ 1 МДж/м2. Особенно важным является

то, что ВТМО по сравнению с закалкой ТВЧ формирует более твердый, прочный и вязкий поверхностный слой канала трубы. В слое материла толщиной до 3 мм у внутренней поверхности трубы твердость увеличивается на ~ 0.5 - 1 HRC, ов и о0.2 - на 90 - 50 МПа, KCU~50 °С - на 27 - 18 %, Кю50 °С - на 14 % (рис. 2, рис. 5, рис. 3, a). Наблюдаемое уменьшение ударной вязкости по толщине стенки существенного влияния на конструктивную прочность труб оказывать не будет, поскольку ее минимальное значение находится на достаточно высоком уровне ( KCU~50 °С > 0.5 МДж/м2). Понижение ударной вязкости, а также характеристик пластичности может быть и меньше, поскольку известно, что высокая скорость нагрева и кратковременность выдержки при индукционном отпуске способствует снижению склонности сталей к отпускной хрупкости [11]. Очевидно, что более высокий переменный по толщине стенки комплекс механических свойств при ВТМО обеспечит повышение конструктивной прочности труб. Об этом свидетельствуют результаты испытаний трубчатых образцов на внутреннее давление (табл. 2). ВТМО по сравнению с закалкой на стали 30ХНМ2ФА после отпуска 500 °С приводит к повышению давления упругого сопротивления Peiast на 14 %, давления разрушения PB - на 17 %. При увеличении характеристик прочности стали 55ХН3МФСА на ~ 30 % при сохранении пластичности и вязкости Pelast возрастает на 46 %, PB - на 41 %.

Таблица 2. Механические свойства и характеристики конструктивной (поперечной) прочности трубчатых образцов сталей 30ХНМ2ФА и 55ХН3МФСА

Table - Mechanical properties and characteristics of the structural (transverse) strength of tubular specimens of 30HNM2FA and 55HN3MFSA steels

Обработка Treatment ов, МПа о0^ МПа 5, % % KCU+2° °С, МДж/м2 р P elast, МПа Pb, МПа

30ХНМ2ФА

Закалка 860 °С + отпуск 500 °С Hardening 860 °С + tempering 500 °С 1350 1200 13 62 0.82 736 952

ВТМО + отпуск 500 °С HTMT + tempering 500 °С 1400 1300 14 67 1.00 840 1118

55ХН3МФСА

Закалка 860 °С + отпуск 200 °С Hardening 860 °С + tempering 200 °С 2410 1830 13 32 0.35 643 996

Закалка 860 °С + отпуск 500 °С Hardening 860 °С + tempering 500 °С 1812 1410 10 37 0.37 442 706

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что ВТМО винтовым обжатием приводит к одновременному повышению характеристик прочности, пластичности и вязкости сталей 38ХН3МФА и 30ХНМ2ФА в широком интервале температур отпуска (200 - 600 °С). Установлено, что при упрочнении трубных заготовок из стали 38ХН3МФА ВТМО с градиентным отпуском наблюдается существенное увеличение всего переменного по толщине стенки комплекса механических свойств с формированием у внутренней рабочей поверхности слоев материала высокой твердости, прочности, пластичности и вязкости (ИЯС 52, ов = 2000 МПа, о0.2 = 1650 МПа, у = 50 %, КСи~50 °С = 1 МДж/м2, Кю50 °С = 72 МПам1/2). ВТМО с отпуском 500 °С

(сталь 30ХНМ2ФА) увеличивает характеристики конструктивной прочности трубчатых образцов на внутреннее давление на 14 - 17 %, а повышение прочности образцов на 30 % (сталь 55ХН3МФСА) увеличивает их значения на 46 - 41 %. Следовательно, применение ВТМО с градиентным отпуском обеспечит более высокий уровень конструктивной прочности труб из конструкционных сталей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

REFERENCES

1. Бернштейн М. Л. Термическая обработка стали. М.: Металлургия, 1981. 608 с.

2. Ивашко В. В., Кириленко О. М., Вегера И. И., Семенов Д. А. Исследование влияния режимов термической обработки на структуру и механические свойства горячекатаных труб, изготовленных из стали 32Г2 // Литье и металлургия. 2011. № 4(63).

С. 108-114.

3. Дементьев В. Б., Соловьев С. Д., Шаврин О. И. Основы технологии изготовления биметаллических цилиндрических деталей. Ижевск: Изд-во Института прикладной механики УрО РАН, 2007. 235 с.

4. Самойлович Ю. А. Повышение эксплуатационного ресурса втулки бурового насоса термоциклической обработкой материала втулок // Сталь. 2017. № 4.

С. 44-49.

5. Патент РФ № 2084547 С1, 1997. Способ упрочняющей термической обработки трубных заготовок и изделий / А. А. Сухих, В. Б. Дементьев, В. П. Вылежнев.

6. Дементьев В. Б., Сухих А. А., Вылежнев В. П., Шаврин О. И. Формирование переменного комплекса механических свойств по толщине трубы при отпуске // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. № 12. С. 2-4.

7. Дементьев В. Б., Засыпкин А. Д. Исследование структуры и механических свойств стали 30ХГСН2А в технологиях прошивки, редуцирования и высокотемпературной термомеханической обработки особотолстостенных трубных заготовок // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17, № 3. С. 372-379.

8. Дементьев В. Б. Перспективы применения совмещенных процессов деформации и термической обработки для обеспечения эксплуатационной надежности деталей // Сборник научных трудов ОКТБ "Восход". Ижевск: Ижевский механический институт, 1989. № 1. С. 3-16.

9. Патент РФ № 2055911 С1, 1996. Способ термомеханической обработки сталей / В. Б. Дементьев, А. А. Сухих.

1. Bernshtein M. L Termicheskaya obrabotka stali [Thermal treatment of steel]. Moscow: Metallurgiya Publ, 1981. 608 p.

2. Ivashko V V., Kirilenko O. M., Vegera I. I., Semenov D. A. Issledovaniye vliyaniya rezhimov termicheskoy obrabotki na strukturu i mekhanicheskiye svoystva goryachekatanykh trub [Investigation of the influence of heat treatment modes on the structure and mechanical properties of hot-rolled pipes made of steel 32G2]. Lit'ye i metallurgiya [Foundry Production

and Metallurgy], 2011, no. 4(63), pp. 108-114. (In Russian).

3. Dementiev V. B., Solovie S. D., Shavri O. I. Osnovy tekhnologii izgotovleniya bimetallicheskikh tsilindricheskikh detaley [Fundamentals of technology for the manufacture of bimetallic cylindrical parts]. Izhevsk: IPM UrO RAN Publ., 2007. 235 p.

4. Samoilovich Y. A. Extending sleeve life in a borehole pipe by thermocyclic treatment. Steel in Translation, 2017, vol. 47, no. 4, pp. 274-279. https://doi.org/10.3103/S096709121704009X

5. PatentRU2084547 C1, 1997. Sposob uprochnyayushchey termicheskoy obrabotki trubnykh zagotovok i izdeliy [Method of hardening heat treatment of pipe blanks and products]. A. A. Sukhikh,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

V. B. Dementyev, V. P. Vylezhnev.

6. Dement'ev V. B., Sukhikh A. A., Vylezhnev V. P., Shavrin O. I. Formation of variable combination of mechanical properties over the thickness of a pipe in tempering. Metal Science and Heat Treatment, 1998, vol. 40, pp. 471-473.

https://doi.org/10.1007/BF02468505

7. Dementiev V. B., Zasypkin A. D. Issledovaniye struktury i mekhanicheskikh svoystv stali 30KHGSN2A v tekhnologiyakh proshivki, redutsirovaniya i vysokotemperaturnoy termomekhanicheskoy obrabotki osobotolstostennykh trubnykh zagotovok [The research of the structure and mechanical properties of steel 30CHGSN2A in the technologies of the piercing, reduction and high-temperature thermomechanical treatment of heavy-walled pipe blanks]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mezoscopy], 2015, vol. 17, no. 3. pp 372-379. (In Russian).

8. Dementiev V. B. Perspektivy primeneniya sovmeshchennykh protsessov deformatsii i termicheskoy obrabotki dlya obespecheniya eksplutatsionnoy nadezhnosti detaley [Prospects for the use of combined processes of deformation and heat treatment to ensure the operational reliability of parts]. Sbornik nauchnykh trudov OKTB "Voskhod" [Collection of Scientific Works of OKTB "Voskhod"]. Izhevsk: IMI Publ., 1989, no. 1, pp. 3-16. (In Russian).

9. Patent RU 2055911 C1, 1996. Sposob termomekhanicheskoy obrabotki staley [Method of thermomechanical processing of steels]. V. B. Dementiev, A. A. Sukhikh.

10. Курдюмов Г. В., Утевский Л. И., Энтин Р. И. Превращения в железе и стали. М.: Наука, 1977. 236 с.

11. Кидин И. Н. Физические основы электротермической обработки металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1969. 376 с.

10. Kurdyumov G. V., Utevsky L. I., Entin R. I. Prevrashcheniya v zheleze i stali [Transformations in iron and steel]. Moscow: Nauka Publ., 1977. 236 p.

11. Kidin I. N. Fizicheskiye osnovy elektrotermicheskoy obrabotki metallov i splavov [Physical bases of electrothermal treatment of metals and alloys]. Moscow: Metallurgy Publ., 1969. 376 p.

Поступила 27.04.2022; принята к опубликованию 25.05.2022 Received 27 April 2022; accepted 25 May 2022

Информация об авторах

Сухих Аркадий Анатольевич, научный сотрудник, УдмФИЦ УрО РАН, Ижевск, Российская Федерация, e-mail: aasukhikh@mail.ru

Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, руководитель Института Механики УдмФИЦ УрО РАН, Ижевск, Российская Федерация

Махнева Татьяна Михайловна, доктор технических наук, главный научный сотрудник, УдмФИЦ УрО РАН, Ижевск, Российская Федерация

Information about the authors

Arkadiy A. Sukhikh, Researcher, Udmurt Federal Research Center UB RAS, Izhevsk, Russian Federation, e-mail: aasukhikh@mail.ru

Vyacheslav B. Dementyev, Dr. Sci. (Eng.), Head of the Institute of Mechanics, Udmurt Federal Research Center UB RAS, Izhevsk, Russian Federation

Tatyana M. Makhneva, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher, Udmurt Federal Research Center UB RAS, Izhevsk, Russian Federation

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.